Diseño e implementación de un sistema de monitoreo y control en tiempo real para plantas fotovoltaicas

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Diseño e implementación de un sistema de monitoreo y control en tiempo real para plantas fotovoltaicas

Requerimientos y diseño del proyecto

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Introducción y Presentación del Tema

La consolidación del sol como la principal fuente de energías renovables no convencionales (ERNC) es un hecho, según estadísticas de Comisión nacional de energía (CNE) fueron comparados los datos de febrero del 2020 y febrero del presente año, obteniéndose que la participación de la tecnología fotovoltaica aumentó en 28,3%. En febrero de 2021, la participación total de las ERNC fue de 1.520 GWh, lo que corresponde a 24,6% de la generación total, de las cuales el 53,2% fue a partir de plantas fotovoltaicas (Caballero, 2021).

A pesar de su abundante uso, la eficiencia de los paneles solares es muy baja, cerca de un 15% a un 18%, lo cual corresponde a las eficiencias en la conversión de energía y de factor de forma. Existen diversos factores que afectan en la eficiencia, de los cuales pueden ser externos e internos del sistema FV, tales como; la temperatura del panel solar, reflexión, suciedad, variaciones climáticas, velocidad del viento, temperatura ambiente, ángulo de inclinación, entre otros. (Cepeda and Sierra, 2020)

De la diversidad de soluciones comerciales existentes que intentan abordar el problema de la eficiencia se pueden encontrar diversos inconvenientes, como son; considerable consumo de electricidad por parte de los dispositivos de medición, registro de datos y actuadores, elevado requerimiento de capacidad de almacenamiento para registro de datos históricos, softwares específicos de cada compañía lo cual imposibilita el acceso al código fuente para modificaciones y adaptaciones según el requerimiento especifico de cada proyecto, ausencia de acciones de control correctivas frente a las variables medidas y énfasis en variables eléctricas, despreciando factores meteorológicos, falta de soluciones integrales combinando diversas propuestas tecnológicas y costos considerables lo cual disminuye la escalabilidad de la propuesta descartando oportunidades de integrar energía solar en proyectos de menor envergadura en lugares remotos.

Estado del arte de las soluciones existentes

Smartflower es un sistema diseñado para optimizar el recurso de la luz solar, posee un sistema de almacenamiento capaz de acumular hasta un 6200kWh anuales y 40% más del rendimiento en comparación con los paneles de estructura estática, gracias a sus innovadoras funciones inteligentes proporciona un grado de abastecimiento del 60% mientras que una instalación en el techo es de un 30%.

En el siguiente grafico se observa una mayor eficiencia frente a instalaciones convencionales, dado que la fase pico de generación eléctrica es mucho mayor gracias al aprovechamiento de las horas de sol durante el día.

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Imagen 1: Grafico comparativo de generación según sistema usado.

Utiliza un control astronómico y desplazamiento de dos ejes, el módulo solar en forma de abanico realiza un seguimiento constante, al amanecer se despliega automáticamente y orienta los módulos solares de aproximadamente 18m² tanto horizontal como vertical para realizar un seguimiento y mantener una posición optima en dirección al sol, en cualquier situación meteorológica incluso cuando este nublado garantizando mantenerse en un ángulo de 90º, incluso en invierno. Además, cuentan con un sistema de ventilación trasero impidiendo una acumulación de aire caliente disminuyendo una temperatura entre 10º y 20ºC dando lugar a un rendimiento de hasta un 10% superior a las instalaciones en tejado, cuenta con un sistema de autolimpiado eliminando el polvo o la nieve disminuyendo las pérdidas de hasta un 5%, también tienen instalados sensores que miden la velocidad del viento, si esta aumenta a 54km/h el Smartflower se desplazara automáticamente a su posición de seguridad para evitar daños, en caso de ser superiores a los 63 km/h se replegara a la segunda posición de seguridad. (Catalogo edición: 10/2014). Valor del producto: $11.010.980

Otro modelo de solución orientado al monitoreo es la empresa nacional Sunai, los cuales optimizan la producción de energía para plantes solares mediante el uso de su SaaS (Software as a service) basado en la inteligencia artificial llamado Neural. Esta plataforma web ofrece servicios de monitoreo de plantas, alertas inteligentes, programador de limpiezas anuales, predictor de generación eléctrica a 7 días, generación de reportes, envío personalizado de correos. Mediante sensores de planta y datos satelitales alimentan continuamente los algoritmos que apoyan la toma de decisiones, respaldando toda la información en la nube con el uso de AWS (Amazon web services). (Sunai)

Valor del servicio: No publicado.

Una última solución de monitoreo en tiempo real consiste en inversores capaces de detectar fallas en todo el sistema o en cada módulo. Los micro inversores como el Enphase requieren de otro aparato llamado IQ Envoy que se encarga de conectar el microinversor a la red, este requiere de cableado para conectarse. Gracias a Envoy es posible monitorear a través de la pantalla LCD o el software de supervisión. (Santana, 2021)

Valor Enphase IQ Envoy: $407.625 + IVA 

Valor de micro inversor Enphase: $ 172.852 + IVA

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Imagen 2: Esquema de funcionamiento de sistema Enphase

Descripción de la Solución Propuesta

Para abordar la problemática de la eficiencia desde un punto de vista escalable y adaptable a los distintos requerimientos que pudiesen existir, de una forma más económica se busca complementar las ideas expuestas en las soluciones comerciales anteriormente.

1. Se propone una red se sensores ubicados en puntos estratégicos, capaces de medir los parámetros intrínsecos que afectan el rendimiento y los valores eléctricos del panel, como son la temperatura, suciedad, corriente, voltaje, radiación solar, ángulo de incidencia con giroscopio. (Vargas, 2015)
2.  Con los datos obtenidos se realizarán dos acciones: el seguimiento del panel para mantener una orientación al sol y transmisión de datos a través de un Gateway utilizando alguna tecnología de comunicación inalámbrica para la función de monitoreo y envío de alertas online. Esta propuesta puede ser escalable desde niveles de instalaciones en lugares remotos hasta grandes plantas solares.
3. Captación de variables meteorológicas como temperatura ambiente, humedad, precipitación, etc. Las cuales en conjunto con las antes mencionadas en el punto 1 buscan un posterior almacenamiento en una base de datos en la nube para registros históricos con el fin de monitorear y controlar a través de la web.
4. Se van a utilizar motores para ejecutar el control del movimiento y seguimiento del sol.

Para realizar el procesamiento de los datos se va a utilizar un microcontrolador el cual v a ser evaluado en posteriores etapas de desarrollo del proyecto debido a que existe una gran variedad con distintas características a considerar.

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